基于光学腔的物质波非经典态的构造与测量

The nonclassical states of atomic matter waves have proven very useful tools for modern precision metrology and quantum information process. So far several experiments have prepared squeezed states and Schr?dinger-cat-like states of matter waves by atomic collision. Although impressive achievements,the method is limited by small value of s-wave scattering length. In addition,the current techniques of atomic interference are destructive and insufficient to detect full nonclassical properties of the atomic matter waves. The optical cavity can not only enhance the interaction, but also creat a feedback loop between cavity field and atoms. Such feedback can induce an effective atomic collision. Moreover, the nonclassical properties of the atomic matter waves can affect the quantum statistics of the cavity field. So the proposal aims to study the possibility of creating nonclassical states of the atomic matter waves by using optical cavity and furthermore develop a method of detecting these states nondestructively.Besides, the applications of the method in quantum metrology and in building quantum networks will also be explored.

如何高效地制备与探测原子物质波的压缩态、纠缠态与薛定谔猫态等非经典态是物质波光学应用于高精密度测量、量子信息科学等前沿领域时面对的主要困难之一。目前，制备原子物质波的非经典态主要依靠超冷原子相干碰撞引起的微弱非线性效应，效率不高；而在测量方面，常用手段大多是基于超冷原子波动性的破坏性成像测量，对量子性质的捕捉也不完备。与之相对，通过光学腔调控光与原子相互作用可以诱导出极强的非线性效应。同时，原子物质波的非经典特征也会反映在腔光场的量子统计性质中。因此，本项目将首先在理论上研究通过光学腔实现物质波非经典态的高效制备与非破坏性测量的方案，然后进一步探索该方案在精密测量与量子网络方面的潜在应用。

由光腔辅助的光与物质波耦合系统是量子态操控与量子测量等研究领域的一个十分重要的平台。这是因为光频域的量子测量技术已发展得比较成熟而光腔又保证了光与物质波之间足够的相互作用强度。但由于量子测量反作用，以及相互作用导致的量子关联等效应，使得精确控制该耦合系统的量子态不是一件容易的事情。本项目主要研究的就是在这样一个平台上光与物质波之间量子态的转换、奇异量子态的制备、以及精确测量量子态的理论方案。迄今为止，我们不但设计出了适用于该耦合系统的能够规避量子测量反作用的精密测量方案，还以对该系统量子态精确操控为基础，提出了腔光力学量子热机和腔光力学微博传感器两种应用方案，超出了最初设计项目时的预期。本项目的研究成果大多以项目主持人为第一作者，所在国内大学为第一单位，发表在国际一流物理研究刊物上。其中包括《Physical Review Letters》2篇，分别提出了利用腔光机械系统构建量子微波-光波传感器和量子引擎的理论方案；《Physical Review A》3篇，阐述了利用腔光力学系统实现无反作用的量子测量原理以及光机械量子热机的工作原理；此外项目主持人还与合作者一起受邀在国内期刊《中国科学：信息科学》、《物理学报》和国外研究专著《Annual Review of Cold Atoms and Molecules》上撰文综述腔光机械系统在量子测量中的应用以及突破量子测量极限的研究进展等。